Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Эткинз (Эткинс) Питер - Страница 57

Когда электрослабое взаимодействие квантуется, из той части теории, которая представлена U(1), получаются фотоны. Часть SU(2) порождает три частицы, «промежуточные векторные бозоны» этой теории, состоящие из двух W-частиц(с двумя противоположными зарядами) и одной электрически нейтральной Z-частицы. Все четыре частицы имеют спин 1 и являются примерами калибровочных бозонов. Фотон был фактически открыт в 1905 г., когда Эйнштейн пролил свет на фотоэлектрический эффект (глава 7), a W- и Z-частицы были обнаружены в 1983 г. в экспериментах на ускорителе в CERN. [25]

Калибровочная симметрия, обсуждаемая нами, не может быть полной, поскольку W- и Z-частицы имеют массу — много массы, так как они соответственно в восемьдесят и девяносто раз тяжелее протона, — в то время как фотон массы не имеет. В нашем обсуждении симметрии изоспина нуклонов и скрытой симметрии периодической таблицы разница в массах должна была появляться из-за взаимодействия, которое нарушает исходную симметрию частиц. Это нарушение симметрии приписывается взаимодействию W- и Z-частиц посредством еще одного поля, называемого полем Хиггса, так же как разница масс протона и нейтрона приписывается их взаимодействию с электромагнитным полем. Хиггсовский механизм приобретения массы получил свое название в честь предложившего его Питера Хиггса (р. 1929); подобный же механизм независимо предложили в 1964 г. Роберт Браут и Франсуа Энглер из брюссельского университета. Поля, разумеется, квантуются, поэтому взаимодействие с электромагнитным полем в действительности означает взаимодействие с частицами квантованного поля, фотонами. Мы можем представлять себе, что фотоны конденсируются на протонах в большей степени, чем на нейтронах, понижая их энергию и, следовательно, их массу. Примерно то же самое происходит с частицами, погруженными в поле Хиггса, называемыми частицами Хиггса, которые в разной степени конденсируются на переносчиках электрослабого взаимодействия. В результате этого W- и Z-частицы приобретают массы, а фотон нет.

Состоятельность такого объяснения нарушения симметрии и приобретения массы зависит от существования частиц Хиггса. До сих пор их никто не видел. Существует два возможных объяснения этого. Одно из них заключается в том, что частиц Хиггса не существует. Это объяснение физикам, исследующим частицы, было бы очень трудно перенести, поскольку соображения симметрии, влекущие существование электромагнитного и слабого взаимодействий и их объединение, неотразимы. А если эти соображения верны, то должен существовать механизм нарушения симметрии, наделяющий некоторые калибровочные бозоны массой. Поэтому нечто вроде хиггсовского механизма действительно должно существовать, иначе рушится весь подход. Вероятно, оно и существует. Другое объяснение состоит в том, что частицы Хиггса могут иметь такую большую массу, что ни один ускоритель пока не может дать достаточную для их обнаружения энергию. Мир физики частиц в настоящее время ожидает реконструкции двух ускорителей, одного в CERN, другого в Лаборатории Ферми к западу от Чикаго, которые после этого будут обладать энергией, достаточной для более интенсивного поиска частиц Хиггса. И тогда либо они будут найдены, либо физикам элементарных частиц придется пересматривать одну из своих наиболее нежно любимых моделей. Надеюсь, вы сможете оценить всю важность этих поисков, поскольку от них зависит наше доверие к современному состоянию науки о веществе.

Сильное взаимодействие тоже оказывается формой проявления калибровочной симметрии. Для этого случая надо отметить, что кварки обладают, наряду с ароматом, специальным видом заряда, наделяющего их способностью взаимодействия друг с другом путем обмена глюонами. Каждый кварк может иметь только один из трех типов этих «сильных зарядов», и физики пришли к приятному соглашению называть эти заряды цветом. Этот цвет не имеет абсолютно ничего общего с настоящим цветом: это просто утонченный способ ссылки на сильный заряд. Итак, цветовой заряд кварка может быть красным, зеленым или синим. Все известные комбинации кварков (триплеты, из которых получаются протоны и нейтроны, и сочетания «кварк-антикварк», создающие глюоны) являются «белыми»: они являются смесями цветовых зарядов, которые в итоге дают белизну, не проявляющую никакого остаточного цветового заряда, так же как настоящий белый цвет является смесью настоящих красного, зеленого и синего.

Теперь мы подходим к новому варианту калибровочной симметрии. Если мы симметрично меняем цвета кварков, варьируя окраску от места к месту, то мы получаем нечто эквивалентное изменению фазы волновой функции. В этом случае три величины, три цвета, дают более сложную картину, чем одна фаза. Вместо простой группы U(1) для электромагнитного взаимодействия и несколько более сложной группы SU(2) для несколько более сложного слабого взаимодействия, нам придется рассмотреть существенно более сложную группу преобразований симметрии, под названием SU(3). Однако, так же как это было для других сил, оказывается, что, для того чтобы уравнения оставались инвариантными относительно этого более сложного калибровочного преобразования, в эти уравнения необходимо включить член, представляющий силу. Этот дополнительный член имеет в точности свойства сильного взаимодействия. Более того, если мы проквантуем это взаимодействие, калибровочные бозоны, существование которых следует из уравнений, являются безмассовыми частицами со спином 1, ответственными за силы, действующие между цветными кварками, то есть глюонами! И снова мы видим, как соблюдение симметрии в природе — на этот раз довольно сложной, скрытой симметрии — влечет существование члена уравнения, который мы опознаем как силу.

Теперь нам придется вступить в мутное интеллектуальное болото, где, пробираясь сквозь топи абстракций, мы надеемся набрести на объединение сильного и электрослабого взаимодействий, и соответственно на объединение лептонов и адронов в единый зоопарк. И снова нашим гидом, видимо, должна быть симметрия. Мы можем подозревать, что хорошо усовершенствованная группа преобразований симметрии приведет нас к успешной демонстрации того, что сильное взаимодействие и электрослабое взаимодействие есть просто две различные стороны одной силы. Если вам нужна конкретная аналогия, отличная от вращающегося куба, демонстрирующего то квадратную, то шестиугольную форму, представьте себе более сложный многогранник, показывающий с одних точек зрения квадраты и шестиугольники, а с других восьмиугольники: все эти формы являются проявлениями одного объекта.

Теория этого объединения носит название ТВО, теории великого объединения. В тот момент, когда люди убедились в том, что они обнаружили более богатую группу симметрии, возникло несколько различных предложений. Эксперименты помогают осуществлять и оценивать выбор. Например, поскольку кварки и лептоны согнали из своих отдельных парков в единое стадо в общий район зоопарка, существует возможность, что кварк превратится в электрон, а протон поэтому распадется. Простейший выбор более крупной группы, называемой SU(5) и представляющей собой сочетание групп SU(3), SU(2) и U(1) для сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия, соответственно предполагает, что время жизни протона имеет порядок 10 ²⁷-10 ³¹лет. Эксперименты, однако, показывают, что это время жизни не меньше чем 10 ³²лет. Это расхождение показывает, что простейший выбор более богатой группы неприемлем, и в настоящее время изучаются более сложные симметрии. Если эта программа приведет к успеху (а ученые, будучи оптимистами в отношении того, чем они занимаются, имеют мало сомнений на этот счет), то конечное время жизни протона будет иметь фундаментальные последствия для долговременного будущего Вселенной, как мы увидим в главе 8.

Наш фермионный зоопарк состоит из лептонов и адронов, которые, как теперь ясно, пасутся вместе. Имеется также зоопарк бозонов, населенный частицами-передатчиками сил, которые соединяют вместе фермионы, создавая протоны и людей, и в конечном счете дают возможность совокупностям фермионов высказывать свое мнение. Эти силы являются проявлениями единой силы. А не может ли быть, что существует даже более крупная, более сложная группа преобразований симметрии в абстрактном внутреннем пространстве некоторого вида — и еще более крупный, более сложный многогранник, — которая поворачивает некую целостность так, что одна ее сторона оказывается фермионом, а другая оказывается бозоном? Существует некоторое экспериментальное предположение, что такая группа суперсимметриидействительно существует, что каждая частица — электрон, мезон, нейтрино, кварк, калибровочный бозон, фотон — различные лики одной целостности. Конечно, тогда должно существовать и много нарушений симметрии, поскольку частицы имеют сильно различающиеся массы, но у периодической таблицы есть те же проблемы, и мы знаем, как можно обращаться с приобретением различных масс и позволить частицам Хиггса в различной степени склеиваться с безмассовыми частицами. Если суперсимметрия преуспеет в том, чтобы показать эквивалентность фермионов и бозонов, то силы и частицы станут внутренне неразличимыми, и все станет одной-единственной вещью. Симметрия экономна, а суперсимметрия суперэкономна. Однако в науке вера только гид, но не критерий.